直灣島LNG碼頭工程潮流數(shù)學模型研究及泥沙淤積分析*

曹永港，陳宜展，廖世智，歐陽永忠，楊 威，張 燕，肖志建，馬 媛

(1.國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州 510300；2.自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510300)

目前，世界各國面臨應(yīng)對氣候變化及環(huán)境持續(xù)惡化的挑戰(zhàn)，均將目光投向最清潔的石化能源—天然氣，紛紛看好其未來發(fā)展趨勢。中國作為世界上最大的能源消費大國和天然氣消費增長最快的國家，積極參與未來全球性天然氣市場治理過程。直灣島LNG項目功能定位是為粵港澳及周邊區(qū)域增加一個新的可靠的供氣氣源，推動清潔能源利用和節(jié)能減排，保障港澳地區(qū)天然氣的供應(yīng)。直灣島LNG接收站碼頭工程位于珠江口外伶仃海域擔桿列島西部直灣島北側(cè)，擬于東灣順著浪向布置1座裝卸碼頭，于西灣順著岸線依次布置1座裝船碼頭、1座罐箱(兼重件)碼頭、1座加注碼頭和1座工作船碼頭，見圖1。工程區(qū)實測資料稀少，工程后產(chǎn)生的水流條件及泥沙回淤情況是值得關(guān)注的問題，碼頭泊位淤積問題是碼頭設(shè)計和建設(shè)關(guān)注的重點。泥沙沖淤結(jié)合潮流數(shù)值模擬技術(shù)是目前被廣泛采用的科學技術(shù)手段之一，用于論證項目選址、工程方案合理性等。戴勇等[1]建立二維潮流數(shù)學模型模擬分析通用碼頭工程后的流場變化，利用劉家駒公式預(yù)測工程實施后泥沙回淤情況；張娜等[2]、張焯等[3]采用潮流泥沙數(shù)值模擬方法研究了LNG碼頭建設(shè)后的水動力泥沙問題，主要涉及工程實施后的水流及海床沖淤變化情況。另外，還有順岸式棧橋碼頭工程[4]、廈門雙魚島游艇碼頭工程[5]、舟山岱山島燕窩山碼頭工程[6]、杭州灣開敞式長棧橋碼頭工程[7]等論證研究。

圖1 工程平面布置

為滿足工程的平面布置設(shè)計需求，基于最新實測海流、懸沙、底質(zhì)及地形資料，開展潮流數(shù)學模型試驗，預(yù)測工程實施后的水流條件，利用經(jīng)驗公式進行泥沙回淤分析，為工程科學決策及建設(shè)實施提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1 水動力及泥沙環(huán)境

2019年4月22日—23日在工程海域進行16個站春季大潮水文調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括海流、懸沙、表層沉積物等。同時收集附近大萬山(21°56′N，113°43′E)、珠海(22°15′N，113°35′E)和赤灣(22°28′N，113°53′E)海洋站2019年4月的氣象與潮位資料。

1.1 潮汐和海流

觀測海區(qū)的潮汐主要表現(xiàn)為不規(guī)則半日潮特征。大萬山站、珠海站和赤灣站最大潮差分別為1.92、2.16、2.45 m。圖2為2019年4月22—23日珠江口垂線平均海流矢量(v垂線=0.3v表+0.5v0.6H+0.2v底)。珠江口外附近海域的實測海流主要受珠江沖淡水、南海北部沿岸流和潮汐3種動力過程共同作用。沖淡水自珠江上游河道而來，在科氏力作用下沿著珠江河口西側(cè)進入南海北部；南海北部沿岸流主要影響西側(cè)站位中底層及桂山島東側(cè)站位，主要表現(xiàn)為東向流；潮汐作用為不規(guī)則半日潮特征，由口門外向上游河口方向逐漸增強，漲潮流為北向，落潮流為南向。

圖2 珠江口垂線平均海流矢量圖

1.2 含沙量特征

直灣島離珠江口河口較遠，幾乎無內(nèi)河沙源。工程海域海水含沙量低，擬建碼頭附近C1站實測含沙量在0.000 1～0.013 5 kg/m3，大潮期平均含沙量為0.003 7 kg/m3，中值粒徑為0.019 mm。

1.3 表層沉積物特征

表層沉積物總體顆粒較細，中值粒徑范圍為0.009～0.012 mm，類型為細粉砂。沉積物中粉砂含量最高，平均值為77.30%；黏土含量次之，平均值為17.79%；砂含量第3，平均值為4.92%。

2 二維潮流數(shù)學模型及泥沙淤積

2.1 潮流數(shù)學模型

水流連續(xù)方程[8]：

(1)

x、y方向水平動量方程分別為：

(2)

(3)

2.2 泥沙淤積計算

2.2.1正常天氣下回淤

直灣島港址所處海域開闊，-20 m等深線距島最近距離約80 m，根據(jù)圖1可知，受直灣島掩護，西灣碼頭泊位和重件泊位等港池均屬于掩護式港池；東灣北側(cè)的接卸泊位港池則為開敞式，碼頭和港池離開陸岸有一定距離，碼頭和棧橋均為透空式高樁梁板結(jié)構(gòu)。這種類型的港口布置幾乎不改變近岸水流的流路，港池回淤計算公式[9]如下：

(4)

(5)

式中：P1和P2分別為掩護式和開敞式港池泥沙年淤積強度(m/a)；K0為經(jīng)驗系數(shù)，取值為0.14～0.17；K1為淤積系數(shù)，取0.35；ω0為黏性細顆粒泥沙絮凝沉速(m/s)，取0.000 6～0.000 8 m/s；v1、v2分別為工程實施前后平均流速(m/s)；S為當?shù)貙崪y平均含沙量(kg/m3)；T為1 a回淤時間(s)；ρ0為泥沙干密度；A為港內(nèi)水下淺灘水域面積(m2)；A0為港內(nèi)總水域面積，包括港池和水下淺灘面積(m2)，本工程A與A0的面積取相同。

2.2.2風浪天氣下回淤

首先進行水體含沙量修正[10]，計算得到風浪情況下的平均含沙量。風浪作用下的泥沙可能一部分或大部分以底沙或浮泥形式進入港區(qū)、碼頭泊位水域。工程海域表層沉積物平均中值粒徑為0.009～0.012 mm，泥沙輸移采用的浮泥輸沙率計算公式[11]如下：

(7)

(8)

(9)

式中：qsf為浮泥單寬輸沙率[(kg/(s·m)]；Mc為沖刷系數(shù)[(kg/(m2·s)]，由試驗確定；ubmax為波浪的最大軌道速度(m/s)；uc為泥沙起動流速；vm為潮流、波流(傳質(zhì)速度)和風吹流的合成速度(m/s)；ub為波浪的平均軌道速度(m/s)；φ為波流傳質(zhì)速度方向與航道方向的夾角(°)。

泥沙參數(shù)參考全潮水文觀測的實測結(jié)果，大潮期懸沙中值粒徑平均值為0.019 mm，懸沙含量平均值為0.003 7 kg/m3，表層沉積物中值粒徑平均值為0.009～0.012 mm。

2.3 模型網(wǎng)格與相關(guān)參數(shù)

模型計算區(qū)域和網(wǎng)格見圖3，模型網(wǎng)格數(shù)為275 620個、節(jié)點數(shù)為139 540個。采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，碼頭工程區(qū)域進行適當加密。根據(jù)樁基實際位置情況，基于等效過水面積對樁基處網(wǎng)格進行概化，模型最小網(wǎng)格為1 m。岸邊界采用可滑不可入條件，靠近陸地的水邊界根據(jù)實測潮位值得出，外海水邊界利用全球潮汐模型(TPXO9)通過15個分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MM、MF、M4、MN4、MS4、2N2、S1)推算得到。糙率根據(jù)水深進行插值計算獲取。

圖3 計算域及網(wǎng)格剖分

2.4 模型驗證

具體驗證過程見文獻[12]，選取2019年4月22日—23日工程海域春季大潮水文調(diào)查其中6個站進行對比，由圖4、5可知，計算值與實測值吻合較好，滿足精度要求。

圖4 潮位驗證

圖5 流速流向驗證

3 試驗結(jié)果分析

3.1 潮流場分析

工程方案實施前后大潮期漲、落急流場見圖6，工程海域漲潮流偏W、落潮流偏E為往復流。漲潮流經(jīng)直灣島和二洲島之間的二門水道進入直灣島北部海域后，向西側(cè)繞過直灣島東邊岬角折向直灣角工程海域，再向西與繞過直灣島西邊岬角的海流匯合繼續(xù)向北流動。落潮流由西向東流經(jīng)直灣島北部海域，在直灣島東北方分成兩股，一股水流經(jīng)直灣島西邊岬角后繼續(xù)向西流動；主流則在直灣島北部海域經(jīng)過港區(qū)后受二洲島阻擋，一部分流向二洲島北部海域，一部分經(jīng)二門水道流入南海。直灣角西灣海域受岬角掩護，潮流不大。東部碼頭位于直灣角東側(cè)，靠近直灣角岬角，位于漲落潮流通道，漲潮流向NW、落潮流向SE。工程實施后，東灣碼頭樁基對近岸沿岸流有一定的阻水作用，海流流過樁基后的海流流速有所減弱，樁基之間的流速增強。西灣北碼頭和西灣南碼頭位于西灣內(nèi)，流速較小，工程前后的流速都普遍小于0.10 m/s。西灣南部碼頭與岸線之間海域海水輻聚、流速增強，工程前流速約為0.01 m/s、工程后流速約為0.04 m/s。

圖6 工程方案實施前后大潮期漲、落急流場

工程建設(shè)后直灣島海域流場變化見圖7。碼頭工程建設(shè)后，管樁起到阻水作用，管樁附近海流流速減小，管樁之間和碼頭外圍水體輻聚、流速增大。東灣海域位于直灣島東側(cè)，靠近水道，海水流速相對較大，流速變化范圍也較大，主要表現(xiàn)為：外圍管樁繁密海域和近岸海域流速變小，碼頭中部海域海水幅聚、流速增大，流速變大和減小幅度都達到0.04 m/s。西灣北海域的流場變化表現(xiàn)為近岸管樁附近海域流速明顯減弱，流速減小最大值達到0.08 m/s。西灣南位于直灣島西側(cè)弱流區(qū)，碼頭建設(shè)后流速相對變化較小，表現(xiàn)為碼頭區(qū)流速明顯變小，碼頭外側(cè)海域流速小幅增大。從中可比較出，直灣島西側(cè)海域較東側(cè)海域流速小、屬弱流區(qū)，更適合碼頭建設(shè)。

圖7 工程前后平均流速差(工程后-工程前)等值線

3.2 泥沙回淤分析

考慮22個特征點[13](圖8)，代表了東灣碼頭、西灣北碼頭、西灣南碼頭、直灣島東側(cè)大回旋圓海域和直灣島西側(cè)小回旋圓海域的波浪以及泥沙回淤特征，其水深范圍為5～39 m。工程海域不利波向主要集中在NE與WSW向。5 a、10 a、50 a和100 a一遇有效波高范圍分別為2.8～4.6、3.0～4.9、3.5～5.6、3.8～6.1 m。年回淤計算考慮波浪各向年平均波高以及相應(yīng)的頻率分布。S向波浪對碼頭所在地的影響很小，1#、10#～12#點的不利波向為NE向，2#～3#點的為ENE向，其余計算點的為WSW向。驟淤計算歷時取12 h，10 a一遇對應(yīng)各特征點的有效波高見表1。

圖8 特征計算點

表1 計算點最大有效波高

直灣島沿岸水深可滿足大型船舶?？?，碼頭工程建設(shè)不需要進行清淤，1#～22#特征點不需要開挖。工程后泥沙回淤主要考慮碼頭工程建設(shè)后泥沙的自然回淤和驟淤。正常天氣條件下，工程海域水體含沙量較低，約為0.003 7 kg/m3，計算特征點工程前后的流速變化很小，僅直灣島西南側(cè)的碼頭泊位會出現(xiàn)回淤，且年平均淤積不超過0.020 m，其余海域未出現(xiàn)回淤，年平均回淤厚度為0.016 m。考慮50 a一遇風浪后，工程海域水體含沙量有所增加，深水區(qū)域約為0.04～0.17 kg/m3，量級仍不大，回淤的程度較小。直灣島西南側(cè)的碼頭泊位水深小于10 m，受水流和波浪動力的影響較東北側(cè)的開敞水域要大，含沙量相對較高，可出現(xiàn)較大的回淤。計算大風浪作用下的泥沙輸移，各計算特征點淤積最大的區(qū)域為18#，50 a一遇風浪的淤積厚度為0.32 m；淤積最小的區(qū)域為2#，50 a一遇的淤積厚度為0.02 m。見表2。

表2 工程后泥沙回淤預(yù)測結(jié)果

4 結(jié)語

1)工程海域漲潮流偏W、落潮流偏E，為往復流。直灣島西側(cè)海域較東側(cè)海域流速小，屬弱流區(qū)，更適合碼頭建設(shè)。工程后并未引起工程海域流場發(fā)生較大變化，僅在碼頭建設(shè)區(qū)域附近有較小程度變化，對周圍水動力環(huán)境的影響較小。

2)正常天氣條件下僅直灣島西南側(cè)的碼頭泊位會出現(xiàn)回淤，年平均淤積不超過2 cm，其余海域不會出現(xiàn)回淤。極端天氣下工程海域短期回淤也較小，50 a一遇風浪淤積厚度為0.32 m。

3)工程位置離河口較遠，泥沙來源不豐富，水清沙少，泥沙回淤較小，工程后對周邊海域泥沙環(huán)境影響整體較小。